CN114497300B - 发光二极管和发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开发光二极管和发光装置，所述发光二极管包括半导体外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；所述有源层包括n个周期的量子阱结构，每个周期的量子阱结构包括依次沉积的阱层和势垒层，所述势垒层的带隙大于阱层的带隙；其特征在于：所述势垒层的带隙自半导体外延叠层的第一表面至第二表面方向是逐渐增大的。本发明可减小量子阱结构中势垒层的吸光，改变量子阱结构中势垒层材料的折射系数，优化出光角度，提升发光二极管的发光效率，提升发光二极管的发光亮度。

Description

发光二极管和发光装置
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体涉及发光二极管和发光装置。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)具有发光强度大、效率高、体积小、使用寿命长等优点，被认为是当前最具有潜力的光源之一。近年来，LED已在日常生活中得到广泛应用，例如照明、信号显示、背光源、车灯和大屏幕显示等领域，同时这些应用也对LED的亮度、发光效率提出了更高的要求。
发明内容
为了提升发光二极管的发光亮度，本发明提出发光二极管和发光装置，所述发光二极管包括：半导体外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，自半导体外延叠层的第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；所述有源层包括n个周期的量子阱结构，每个周期的量子阱结构包括依次沉积的阱层和势垒层，所述势垒层的带隙大于阱层的带隙；其特征在于：所述势垒层的带隙自半导体外延叠层的第一表面至第二表面方向是逐渐增大的。
在一些可选的实施例中，所述阱层由AlxGa1-xInP材料组成；所述势垒层由AlyGa1- yInP材料组成，其中0≤x≤y≤1。
在一些可选的实施例中，所述势垒层的Al组分含量y的范围为0.3~0.85。
在一些可选的实施例中，所述势垒层的Al组分的百分含量自半导体外延叠层的第一表面至第二表面方向是逐渐增大的。
在一些可选的实施例中，所述有源层的周期数n为2~100。
在一些可选的实施例中，所述有源层的周期数n为5~50。
在一些可选的实施例中，所述阱层的厚度为5~25nm；所述势垒层的厚度为5~25nm。
在一些可选的实施例中，所述势垒层的Al组分的百分含量按一个周期或几个周期的方式从所述第一表面至第二表面方向逐渐增大。
在一些可选的实施例中，所述发光二极管还包含第一电极和第二电极，分别与所述第一类型半导体层和第二类型半导体层形成电连接。
在一些可选的实施例中，所述发光二极管还包含绝缘保护层，位于所述半导体外延叠层的表面和侧壁。
在一些可选的实施例中，所述有源层辐射波长为550~950nm的光。
本发明还提出一种发光装置，所述发光装置包含前述任一项所述的发光二极管。
本发明具有以下的有益效果：
1．所述有源层量子阱结构的势垒层的带隙自半导体外延叠层的第一表面至第二表面逐渐增大，即势垒层的Al组分含量自第一表面至第二表面逐渐增大，可减小有源层势垒层的吸光效应，提升发光二极管的发光效率；
2．有源层量子阱结构势垒层的Al组分含量的变化可改变势垒层材料的折射系数，从而改变出光角度，提升发光二极管的出光效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为本发明实施例1中所提到的外延结构的示意图。
图2~图3为本发明实施例1中所提到的有源层的带隙变化的示意图。
图4为本发明实施例1中所提到的发光二极管的结构示意图。
图5~图7为本发明实施例2中所提到的发光二极管制备过程中的结构示意图。
图8为本发明实施例3中所提到的发光二极管的结构示意图。
图9~图10为本发明实施例4中所提到的发光二极管的制备过程中的结构示意图。
图11为本发明实施例6中所提到的发光装置的结构示意图。
图12为本发明实施例1中发光二极管的光通量随电流密度的变化曲线图。
图13为本发明实施例5中所提到的微发光二极管的结构示意图。
图14为本发明实施例5中所提到的微发光二极管元件的结构示意图。
图15为本发明实施例5中所提到的微发光二极管的外量子效率随电流密度的变化曲线图。
附图标记：生长衬底：100；缓冲层：101；蚀刻截止层：102；第一欧姆接触层：103；第一电流扩展层：104；第一覆盖层：105；有源层：106；第二覆盖层：107；第二电流扩展层：108；第二欧姆接触层：109；基板：200；键合层：201；镜面层：202；欧姆接触金属层：202a；介电材料层：202b；第一电极：203；第一电极的欧姆接触部分：203a；第二电极的欧姆接触部分：204a；第二电极：204；第一电极的焊盘电极：203b；第二电极的焊盘电极：204b；键合胶：205；临时基板：206；第一台面：S1；第二台面：S2；绝缘保护层：207；绝缘保护层的水平部分：2071；牺牲层：208；基架：250；桥臂：240；第一台面：S1；第二台面：S2。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用了区分不同的组成部分。“连接”或者“相连”等类似词语并非限定与物理或者机械的连接，而是可以包括电性的连接、光连接等，不管是直接的还是间接的。
应当理解，本发明所使用的术语仅出于描述具体实施方式的目的，而不是旨在限制本发明。进一步理解，当在本发明中使用术语“包含”、“包括"时，用于表明陈述的特征、整体、步骤、元件、和/或的存在，而不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、元件、和/或它们的组合的存在或增加。
除另有定义之外，本发明所使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。
实施例1
本实施例提供一种发光二极管，所述有源层量子阱结构中的带隙自半导体外延叠层的第一表面至第二表面逐渐增大，可提升发光二极管的发光效率，提升发光二极管的发光亮度。
图1为一较佳实施例的发光二极管外延结构的示意图，所述发光二极管外延结构包括：生长衬底100；半导体外延叠层，包含依次层叠于所述生长衬底100之上的第一电流扩展层104、第一覆盖层105、有源层106、第二覆盖层107、第二电流扩展层108和第二欧姆接触层109。
具体地，参照图1，生长衬底100的材料包括但不限于GaAs，也可采用其他材料，例如GaP、InP等。在本实施例中以GaAs生长衬底100为例。可选地，在生长衬底100与第一电流扩展层104之间还依次设置有缓冲层101、蚀刻截止层102和第一欧姆接触层103；其中，由于缓冲层101的晶格质量相对生长衬底100晶格质量好，因而，在生长衬底100上生长缓冲层101有利于消除生长衬底100晶格缺陷对半导体外延叠层的影响；蚀刻截止层102用于后期步骤化学蚀刻的截止层，在一些可选的实施例中，蚀刻截止层102为n型蚀刻截止层，材料为n-GaInP。为了便于生长衬底100的后续移除，其厚度控制在500nm以内，更优选的为200nm以内。在一些可选的实施例中，欧姆接触层103为GaAs材料，厚度范围为10~100nm，掺杂浓度为1~10E+18/cm3，优选为2E18/cm3，以实现更好的欧姆接触结果。
半导体外延叠层可以通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)、外延生长(Epitaxy Growth Technology)和原子束沉积 (Atomic Layer Deposition，ALD)等方式形成在生长衬底100上。半导体外延叠层为能够提供常规的如紫外、蓝、绿、黄、红、红外光等辐射的半导体材料，具体的可以是200~950nm的材料，如常见的氮化物，具体的如氮化镓基半导体外延叠层，氮化镓基外延叠层常见有掺杂铝、铟等元素，主要提供200~550nm波段的辐射；或者常见的铝镓铟磷基或铝镓砷基半导体外延叠层，主要提供550~950nm波段的辐射。
半导体外延叠层自远离生长衬底100的方向包括第一类型半导体层、有源层、第二类型半导体层。所述第一类型半导体层和第二类型半导体层可分别通过n型掺杂或p型掺杂以实现至少分别提供电子或空穴。n型半导体层可以掺杂有诸如Si、Ge或者Sn的n型掺杂物，p型半导体层可以掺杂有诸如Mg、Zn、Ca、Sr或者Ba的p型掺杂物。当第一类型半导体层为n型半导体时，第二类型半导体层为p型半导体层；当第一类型半导体层为p型半导体层时，第二类型半导体层为n型半导体层。第一类型半导体层、有源层、第二导电型半导体层具体可以是铝镓铟氮、氮化镓、铝镓氮、铝铟磷、铝镓铟磷或砷化镓或铝镓砷等材料制作形成。
所述第一类型半导体层和第二类型半导体层分别包括为有源层106提供电子或空穴的第一覆盖层105和第二覆盖层107，如铝镓铟磷或铝铟磷或铝镓砷。更优选的，所述有源层106材料为铝镓铟磷的情况下，铝铟磷作为第一覆盖层105和第二覆盖层107提供空穴和电子。为了提升电流扩展的均匀性，所述第一类型半导体层和第二类型半导层还包含第一电流扩展层104和第二电流扩展层108。
有源层106为电子和空穴复合提供光辐射区域，根据发光波长的不同可选择不同的材料，有源层106可以是单量子阱或多量子阱的周期性结构。本实施例中有源层106为n个周期的量子阱结构，每个量子阱结构包含依次沉积的阱层和势垒层，其中势垒层具有比阱层更大的带隙。通过调整有源层106中半导体材料的组成比，以期望辐射出目标波长的光。有源层106为提供电致发光辐射的材料层，如铝镓铟磷或铝镓砷，更优选的为铝镓铟磷，铝镓铟磷为单量子阱或者多量子阱。在本实施例中，优选半导体外延叠层为AlGaInP基或者GaAs基材料组成，所述有源层辐射波长为550~950nm的光线。
本实施例中所述量子阱结构的周期数n为2~100。所述阱层由AlxGa1-xInP材料组成；所述势垒层由AlyGa1-yInP材料组成，其中0≤x≤y≤1。所述阱层的厚度为5~25nm，优选为8~20nm；所述势垒层的厚度为5~25nm，优选为10~20 nm。所述垒层的Al组分含量y的范围为0.3~0.85。优选地，所述势垒层中的带隙自第一类型半导体层至第二类型半导体层方向是逐渐增大的。
在一些可选的实施例，所述发光二极管应用在较大电流密度条件下（例如2A/mm2以上），此时所述量子阱结构的周期数量n优选为5个以上，50个以下，例如可以为12~25个周期，以满足大饱和电流密度的需求。可选地，所述势垒层中的Al组分含量自第一类型半导体层向第二类型半导体层方向逐渐增大，通过调整有源层量子阱结构中势垒层的组分，能够减小因有源层厚度增加而导致的吸光效应，从而提升发光效率。进一步地，有源层的量子阱结构中势垒层的Al组分的变化可以改变势垒层的折射系数，调整量子阱结构辐射出的光线的出射角度，可以提升发光二极管的发光效率。
较佳的，Al组分含量的分布特点可以是沿着半导体外延叠层的厚度方向为线性递增或分段性递增。具体的，图2和图3为有源层的带隙的示意图，如图2所示，所述Al组分含量按一个周期的形式递增的，或者如图3所示，所述量子阱结构可分为不同组（loops）生长，例如loop A，loopB、loopC等，其中A≥2，B≥2，C≥2等，A、B和C的取值可以相同，也可以不同。不同组（loops）之间的阱组分是相同的，同一组中势垒层的Al组分含量保持不变，不同组（loops）Al组分的含量自第一类型半导体至第二类型半导体方向是逐渐递增的。
为了实现势垒层中Al组分含量逐渐递增，生长过程中可使Al源的供给速率为线性增速或分段性的增速。
作为一个实施方式，如表一所示，提供一种发光二极管的半导体外延叠层的主要部分，其中第一类型半导体层为n型掺杂，包括n型电流扩展层104和n型覆盖层105；第二类型半导体层为p型掺杂，包括p型覆盖层107、p型电流扩展层108和p型欧姆接触层109，其中有源层106为多量子阱结构(英文Multiple Quantum Well，简称量子阱)，材料为AlxGa1- xInP/AlyGa1-yInP(0≤x≤y≤1)的重复堆叠的阱和垒的结构。
表一
本实施例中，第一类型半导体层包含n型电流扩展层104和n型覆盖层105；其中n型电流扩展层104起到电流扩展的作用，其扩展能力与厚度有关，本实施例中优选材料为Alx1Ga1-x1InP，厚度为2500~4000nm，所述n型掺杂浓度为4E17~8E17/cm3。n型覆盖层105的作用为有源层提供电子，优选材料为AlInP，厚度为300~1500nm；n型掺杂常见的是Si掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。
第二类型半导体层包含p型覆盖层107、p型电流扩展层108和p型欧姆接触层109；其中p型覆盖层223的作用为量子阱提供空穴，优选材料为AlInP，厚度为300~1500nm；p型掺杂常见的是Mg掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。p型电流扩展层108起到电流扩展的作用，其扩展能力与厚度有关，因此在本实施例中可根据具体的器件尺寸选择其厚度，较佳厚度控制在300nm以上，12000nm以下。本实施例中，优选所述p型电流扩展层108的厚度为500~10000nm。本实施例中优选材料为GaP，p型掺杂浓度为6E17~2E18/cm3，p型掺杂常见的是镁掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。
第二欧姆接触层109为与第二电极204形成欧姆接触，优选材料为GaP，掺杂浓度为1E19/cm3，更优选为5E19/cm3以上，以实现更好的欧姆接触。所示第二欧姆接触层109的厚度优选为40nm以上，150nm以下。本实施例中，优选所述第二欧姆接触层110的厚度为60nm。
有源层为AlxGa1-xInP/AlyGa1-yInP(0≤x≤y≤1)的重复堆叠的阱和垒的结构。在本实施例中，所述量子阱结构的周期数为16，所述量子阱结构势垒层分为四组，每组势垒层由四个周期的势垒层组成，所述势垒层的Al组分的含量自第一类型半导体层至第二类型半导体层方向是逐渐递增的。优选所述阱层的厚度为8~20nm；所述势垒层的厚度为10~20nm。
本实施例中通过势垒层的Al组分的含量自第一类型半导体层至第二类型半导体层方向是递增的，可减小势垒层的吸光，同时Al组分的变化可改变势垒层的折射系数，可优化量子阱结构辐射出的光线的出光角度，可提升发光二极管的发光效率，提升发光二极管的发光亮度。
图4显示了一种发光二极管的示意图，所述发光二极管采用图1所示的外延结构，所述发光二极管包含一基板200，所述半导体外延叠层通过键合层201键合至基板200上，所述半导体外延叠层包括在所述基板200上依次层叠的第一欧姆接触层103，第一电流扩展层104，第一覆盖层105，有源层106，第二覆盖107，第二电流扩展层108和第二欧姆接触层109。
所述基板200为导电性基板，导电性基板可以为硅、碳化硅或者金属基板，所述金属基板优选为铜、钨或者钼基板。为了能够以充分的机械强度支撑半导体外延叠层，基板200的厚度优选为50μm以上。另外，为了便于在向半导体外延叠层键合后对基板200的机械加工，优选基板200的厚度不超过300μm。本实施例中，优选基板200为铜基板。
第二欧姆接触层109上设置有第二电极204，第二电极204与第二欧姆接触层103之间形成欧姆接触，以实现电流流通。第二欧姆接触层109仅保留第二电极204垂直下方的部分。第二电流扩展层108在水平方向上包括两个部分，即包括位于第二电极204下方的部分P1，未位于第二电极204下方的部分P2被暴露定义为出光面。第二电流扩展层108的出光面可以环绕第二电极24形成。出光面进一步通过蚀刻工艺形成图形面或粗化面，其中图形面可以是蚀刻获得图形。粗化面可具有规则的表面结构或者任意的不规则的表面微纳米结构，粗化表面或图形表面实质上为发光层的光能够更加容易的逃逸出去，提高出光效率。优选地，出光面为粗化面，粗化形成的表面结构的高度差(或者高低差)低于1微米，优选地为10~300nm。
第二电流扩展层108包括仅位于第二电极204下方的部分P1的第二表面，由于被第二电极204保护而不会被粗化。第二电流扩展层108的粗化面的水平高度由于粗化工艺实质上相对于位于第二电极204下方的第二表面（界面）的水平高度更低。
具体的，如图4所示，于本实施例中，第二电流扩展层108包括位于第二电极204下方的部分P1以及不位于第二电极204下方的部分P2，第二电流扩展层108在电极覆盖的部分P1具有第一厚度t1，未被第二电极覆盖的第二电流扩展层108具有第二厚度t2。优选地，第一厚度t1为1.5~2.5微米，第二厚度t2为0.5~1.5μm。P1部分的厚度t1大于P2部分的厚度t2。较佳的，第二厚度t2大于第一厚度t1至少0.3μm。
半导体外延叠层与基板200之间可设置镜面层202，镜面层202包括欧姆接触金属层202a和介电材料层202b，两者配合一方面与第一欧姆接触层103形成欧姆接触，另一方面用于将有源层106发出的光束反射至第二电流扩展层108的出光面或者半导体外延叠层的侧壁进行出光。
所述发光二极管还包含第一电极203。在一些实施例中，所述第一电极203位于所述基板200的背面。或者设置的第一电极203位于在基板200上，与半导体外延叠层同侧。
所述第一电极203和第二电极204包括透明导电材料和或金属材料。透明导电材料包括透明导电层，如ITO或IZO，金属材料包括GeAuNi、AuGe、AuZn、Au、Al、Pt、Ti中至少一种。
为了提高发光二极管的可靠性，在所述发光二极管的表面和侧壁上具有绝缘保护层（图中未示出），所述绝缘保护层为单层或者多层结构，由SiO2，SiNx，Al2O3，Ti3O5的至少一种材料形成。
本实施例中所述有源层的量子阱结构中势垒层的的带隙自半导体外延叠层的第一表面至第二表面逐渐增大，即势垒层中的Al组分含量自半导体外延叠层的第一表面至第二表面逐渐增大，可减小势垒层的吸光，优化出光角度，从而提升发光二极管的发光效率，提升发光二极管的发光亮度。如图12所示，本实施例发光二极管芯片（芯片水平尺寸为2175um*1355um）的单颗芯片封装之后，进行光通量（Flux）随电流密度（J）变化测试，在输入电流为4A/mm2的条件下，所述发光二极管的光通量从1644lm到1932lm，提升了17.5%。
实施例2
图5~图7显示了根据本实施例1中的发光二极管的制造过程示意图，下面结合示意图对本实施例的发光二极管的制造方法进行详细的描述。
首先，参见图1，提供一个外延结构，其具体包括以下步骤：提供一个生长衬底100，通过磊晶工艺如MOCVD外延生长半导体外延叠层，半导体外延叠层包括依次层叠在生长衬底100表面的缓冲层101以及蚀刻截止层102，用于移除外延生长衬底100，然后生长包括第一欧姆接触层103，第一电流扩展层104、第一覆盖层105，有源层106，第二覆盖层107、第二电流扩展层108和第二欧姆接触层109。
本实施例生长衬底100采用常用的GaAs衬底，并根据生长衬底100设置缓冲层101的材料，应当注意的是，生长衬底100并不局限于GaAS，也可采用其他材料，例如GaP、InP等，对应的其上的缓冲层101的设置及材料可根据具体的生长衬底100进行选取。在缓冲层101上设置蚀刻截止层102，例如GaInP，为了便于后续生长衬底100的后续移除，较佳的设置较薄的蚀刻截止层102，其厚度控制在500nm以内，更优选的为200nm以内。
本实施例中，优选第一电流扩展层104为优选材料为Alx1Ga1-x1InP，厚度为2500~4000nm，所述n型掺杂浓度为4E17~8E17/cm3。第一覆盖层105的作用为有源层提供电子，优选材料为AlInP，厚度为300~1500nm；n型掺杂常见的是Si掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。
第二覆盖层107的作用为量子阱提供空穴，优选材料为AlInP，厚度为300~1500nm；P型掺杂常见的是Mg掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。
有源层106为多量子阱，材料为AlxGa1-xInP/AlyGa1-yInP(0≤x≤y≤1)的重复堆叠的阱和垒的结构。本实施例中优选所述量子阱结构的周期数为16，所述量子阱结构势垒层分为四组，每组势垒层由四个周期的势垒层组成，所述势垒层的Al组分的含量自第一类型半导体层至第二类型半导体层方向是逐渐递增的。所述阱层的厚度为5~25nm；所述势垒层的厚度为5~25nm。
然后，参见图5，在第二欧姆接触层110上形成第二电极204，通过键合胶205将半导体外延叠层键合至临时基板206上，所述键合胶205优选为BCB胶，所述临时基板206优选为玻璃基板。
然后，利用湿法蚀刻方法去除生长衬底100，缓冲层101和蚀刻截止层102，露出第一欧姆接触层103，在第一欧姆接触层103上制作镜面层202，其包括欧姆接触金属层202a和介电材料层202b，两者配合一方面与第一欧姆接触层103形成欧姆接触，另一方面用于反射有源层射向下方的光线；提供基板200，在基板200上设置金属键合层201，将基板201与镜面层202进行键合，得到如图6所示的结构。
接着，通过湿法蚀刻方式去除临时基板206，形成掩膜覆盖在第二电极204上，第二电极204周围的第二欧姆接触层109被暴露；进行蚀刻工艺，蚀刻去除第二电极204周围的第二欧姆接触层109，使非位于第二电极204下方的第二欧姆接触层109被完全移除，同时暴露第二电流扩展层108，接着蚀刻第二电流扩展层108，以形成图形化或粗化面，形成如图7所示的结构。第二欧姆接触层109的去除工艺以及第二电流扩展层108进行粗化处理可以是同一步骤或者多个步骤的湿法蚀刻工艺，湿法蚀刻的溶液可以是酸性溶液，如盐酸、硫酸或者氢氟酸或者柠檬酸，或者其它任何较佳的化学试剂。
最后，在所述基板200的背面形成第一电极203，根据尺寸需要通过蚀刻、劈裂等工艺获得单元化的发光二极管，如图4所示。
实施例3
图8显示了另一实施例中发光二极管的示意图，所述发光二极管采用图1所示的外延结构，所述发光二极管包含一基板200，所述半导体外延叠层通过键合层201键合至基板200上，所述半导体外延叠层包括在所述基板200上依次层叠的第二欧姆接触层109，第二电流扩展层108，第二覆盖层107，有源层106，第一覆盖105，第一电流扩展层104和第一欧姆接触层103。
所述基板200为导电性基板，导电性基板可以为硅、碳化硅或者金属基板，所述金属基板优选为铜、钨或者钼基板。为了能够以充分的机械强度支撑半导体外延叠层，基板200的厚度优选为50μm以上。另外，为了便于在向半导体外延叠层键合后对基板200的机械加工，优选基板200的厚度不超过300μm。本实施例中，优选基板200为硅基板。
第一欧姆接触层103上设置有第一电极203，第一电极203与第一欧姆接触层103之间形成欧姆接触，以实现电流流通。第一欧姆接触层103仅保留第一电极203垂直下方的部分。第一电流扩展层104在水平方向上包括两个部分，即包括位于第一电极203下方的部分P3，未位于第一电极203下方的部分P4被暴露定义为出光面。第一电流扩展层104的出光面可以环绕第一电极203形成。出光面进一步通过蚀刻工艺形成图形面或粗化面，其中图形面可以是蚀刻获得图形。粗化面可具有规则的表面结构或者任意的不规则的表面微纳米结构，粗化表面或图形表面实质上为发光层的光能够更加容易的逃逸出去，提高出光效率。优选地，出光面为粗化面，粗化形成的表面结构的高度差(或者高低差)低于1微米，优选地为10~300nm。
第一电流扩展层104包括仅位于第一电极203下方的部分P1的第二表面，由于被第一电极203保护而不会被粗化。第一电流扩展层104的粗化面的水平高度由于粗化工艺实质上相对于位于第一电极203下方的第二表面（界面）的水平高度更低。
具体的，如图8所示，于本实施例中，第一电流扩展层104包括位于第一电极203下方的部分P3以及不位于第一电极203下方的部分P4，第一电流扩展层104在电极覆盖的部分P3具有第一厚度t3，未被第一电极覆盖的第一电流扩展层104具有第二厚度t4。优选地，第一厚度t3为1.5~2.5微米，第二厚度t4为0.5~1.5μm。P3部分的厚度t3大于P4部分的厚度t4。较佳的，第二厚度t4大于第一厚度t3至少0.3μm。
半导体外延叠层与基板200之间可设置镜面层202，镜面层202包括P型欧姆接触金属层202a和介电材料层202b，两者配合一方面与第二欧姆接触层110形成欧姆接触，另一方面用于将有源层106发出的光束反射至第一电流扩展层104的出光面或者半导体外延叠层的侧壁进行出光。
所述发光二极管还包含第二电极204。在一些实施例中，所述第二电极204位于所述基板200的背面。或者设置的第二电极204位于在基板200上，与半导体外延叠层同侧。
所述第一电极203和第二电极204包括透明导电材料和或金属材料。透明导电材料包括透明导电层，如ITO或IZO，金属材料包括GeAuNi、AuGe、AuZn、Au、Al、Pt、Ti中至少一种。
实施例4
图9~图10显示了根据本实施例3中的发光二极管的制造过程示意图，下面结合示意图对本实施例的发光二极管的制造方法进行详细的描述。
首先，参见图1，提供一个外延结构，其具体包括以下步骤：提供一个生长衬底100，通过磊晶工艺如MOCVD外延生长半导体外延叠层，半导体外延叠层包括依次层叠在生长衬底100表面的缓冲层101以及蚀刻截止层102，用于移除外延生长衬底100，然后生长包括第一欧姆接触层103，第一电流扩展层104、第一覆盖层105，有源层106，第二覆盖层107、第二电流扩展层108和第二欧姆接触层109。
接着，将半导体外延叠层转移至基板200上，去除生长衬底100，获得如图9所示的结构，具体的包含如下步骤：在第二欧姆接触层110制作镜面层202，其包括欧姆接触金属层202a和介电材料层202b，两者配合一方面与第二欧姆接触层110形成欧姆接触，另一方面用于反射有源层射向下方的光线；提供基板200，在基板200上设置金属键合层201，将基板201与镜面层202进行键合，并去除生长衬底100，生长衬底100为砷化镓的情况下，可采用湿法蚀刻工艺移除，直至露出第一欧姆接触层103。
接着，如图10所示，第一欧姆接触层103上形成第一电极203，第一电极203与第一欧姆接触层103形成良好的欧姆接触，在基板200的背面侧形成第二电极204，借此在第一电极203和第二电极204以及半导体外延叠层之间可以通过传导电流。基板200具有一定的厚度，能够支撑其上的所有层。
然后，形成掩膜覆盖在第一电极203上，第一电极203周围的第一欧姆接触层103被暴露；进行蚀刻工艺，蚀刻去除第一电极203周围的第一欧姆接触层103，使非位于第一电极109下方的欧姆接触层103被完全移除，同时暴露第一电流扩展层104，接着蚀刻第一电流扩展层104，以形成图形化或粗化面，形成如图8所示的结构。欧姆接触层的去除工艺以及第一电流扩展层104进行粗化处理可以是同一步骤或者多个步骤的湿法蚀刻工艺，湿法蚀刻的溶液可以是酸性溶液，如盐酸、硫酸或者氢氟酸或者柠檬酸，或者其它任何较佳的化学试剂。
最后，根据尺寸需要通过蚀刻、劈裂等工艺获得单元化的不可见光发光二极管。
实施例5
图13显示了另一实施例中发光二极管的示意图，所述发光二极管采用图1所示的外延结构。本实施例中发光二极管为微发光二极管，所述微发光二极管包括：半导体外延叠层，包含第一类型半导体层、第二类型半导体层和位于所述第一类型半导体层和第二类型半导体层之间的有源层106；第一台面S1，由所述半导体外延叠层凹陷露出的第一类型半导体层构成，第二台面S2，由所述第二类型半导体层构成；第一电极203，形成于第一台面S1之上，与所述第一类型半导体层形成电连接；第二电极204，形成于第二台面S2之上，与所述第二类型半导体层形成电连接。
在本实施例中，第一类型半导体层包含P型电流扩展层104和P型覆盖层105；其中P型电流扩展层104起到电流扩展的作用，其扩展能力与厚度有关，本实施例中优选材料为Alx1Ga1-x1InP，厚度为2500~5000nm，所述P型掺杂浓度为2E18~5E18/cm3。Alx1Ga1-x1InP中X1介于0.3~0.7，可保证P型电流扩展层的透光性。所述P型电流扩展层104与第一电极203欧姆接触，形成电连接；所述P型电流扩展层104远离有源层的一侧提供出光面。P型覆盖层105的作用为有源层提供空穴，优选材料为AlInP，厚度为200~1200nm；P型掺杂常见的是Mg掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。
第二类型半导体层包含n型覆盖层107、n型电流扩展层108和n型欧姆接触层109；其中n型覆盖层107的作用为MQW提供电子，优选材料为AlInP，厚度为200~1200nm；n型掺杂常见的是Si掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。n型电流扩展层108起到电流扩展的作用，其扩展能力与厚度有关，因此在本实施例中可根据具体的器件尺寸选择其厚度，较佳厚度控制在200nm以上，1500nm以下。本实施例中，优选所述n型电流扩展层108的厚度为300~1000nm。本实施例中优选材料为GaP， n型掺杂浓度为9E17~4E18/cm3，n型掺杂常见的是硅掺杂，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。
n型欧姆接触层109覆盖在n型电流扩展层108之上，优选材料为Gap,厚度为30~100nm，掺杂浓度为5E18~5E19/cm3，优选掺杂浓度为9E18/cm3之上，可与第二电极204形成好的欧姆接触。n型欧姆接触层109与第二电极204欧姆接触，形成电连接。N型欧姆接触层109采用GaP材料，取代N型GaAs或者N型AlGaInP材料，可减少吸光效应，提升发光效率。
有源层106为多量子阱，材料为AlxGa1-xInP/AlyGa1-yInP(0≤x≤y≤1)的重复堆叠的阱和垒的结构。本实施例中所述量子阱结构的周期数为2~20个，优选为2~15个，所述势垒层的Al组分的含量自第一类型半导体层至第二类型半导体层方向是逐渐递增的。所述阱层的厚度为3~7nm；所述势垒层的厚度为4~8nm。
第一电极203与第一类型半导体层接触的导电型金属可以选择自金、铂或银等，或者为透明导电氧化物，具体的可以为ITO，ZnO等；更优选的，第一电极203可为多层材料，如至少包括金锗镍、金铍、金锗、金锌等至少之一的合金材料，更优选的，第一电极203还可以包括一反射性金属，如金或者银，对自有源层辐射并穿透第一类型半导体层的电流扩展层104的部分光线反射会半导体外延叠层，并从出光侧出光。
所述第二电极204为了与第二类型半导体层的n型欧姆接触层109形成良好的欧姆接触，优选所述第二电极204与n型欧姆接触层109接触的材料可以为导电型金属如金、铂或银等；更优选的，第二电极206可以包括多层材料，其中至少包括金锗镍、金铍、金锗、金锌等至少之一的合金材料。更优选的，为了改善第二电极206与n型欧姆接触层225一侧的欧姆接触效果，可以至少包括一能够扩散至n型欧姆接触层109一侧的金属以改善欧姆接触电阻，为了促进扩散可以选择至少300℃以上的熔合。该扩散金属为可以直接接触n型欧姆接触层109一侧的金属，如金，铂或银等。
为了提高微发光二极管的可靠性，在所述微发光二极管的第一台面S1、第二台面S2和侧壁上具有绝缘保护层207（图13中未示出），所述绝缘保护层207为单层或者多层结构，由SiO2，SiNx，Al2O3，Ti3O5的至少一种材料形成。在一些可选的实施例中，所述绝缘保护层207为布拉格反射层结构，例如绝缘保护层207由Ti3O5和SiO2两种材料交替堆叠形成。在本实施例中，所述绝缘保护层207的材料可以采用SiNx或者SiO2，厚度为1μm以上。
本实施例中，所述第一电极203和第二电极204位于出光侧的相反侧，第一电极203和第二电极204可以通过出光侧的相反侧与外部电连接件进行接触，形成倒装的结构。因此所述的第一电极203和第二电极204包括欧姆接触部分203a和203a以及焊盘电极203b和203b，焊盘电极203b和203b可以是如金、铝或银等至少一层，以实现第一电极203和第二电极204的固晶。第一电极203和第二电极204可以等高或不等高，在厚度方向上第一电极和第二电极的焊盘金属层不重叠。
本实施例中所述有源的量子阱结构中势垒层的的带隙自半导体外延叠层的第一表面至第二表面逐渐增大，即势垒层中的Al组分含量自半导体外延叠层的第一表面至第二表面逐渐增大，可减小势垒层的吸光，优化出光角度，从而提升发光二极管的发光效率，提升发光二极管的发光亮度。如图15所示，利用本实施例中微发光二极管芯片，芯片水平尺寸为17*31μm，单颗芯片封装之后，进行光电转换效率（WPE）随电流密度（J）变化测试，在0.1A/cm2低电流密度条件下，WPE从5.02%→5.63%，提升了12%。
图14为使用本实施例微发光二极管形成的微发光元件的示意图，所述微发光元件还包含支撑微发光二极管的基架250，所述基架250位于微发光二极管的下侧，用于连接微发光二极管和基架250的桥臂240；所述基架250包含基板200和键合层201，本实施例中所述键合层201的材料为BCB胶、硅胶、UV紫外胶或者树脂，桥臂240的材料包含介电质、金属或者半导体料，在一些实施例中，绝缘保护层207的水平部分2071可作为桥臂240，跨接在键合层201上，连接微发光二极管和基架250。
微发光二极管通过印刷印模转印与基架250分离，印刷印模材料为PDMS、硅胶、热解胶或UV紫外胶。在一些情况下，微发光二极管与基架之间具有牺牲层208，至少在特定情况下牺牲层208的移除效率高于微发光二极管，特定情况包括化学分解或物理分解，例如紫外光分解、蚀刻移除或者冲击移除等。
实施例6
本实施例提供一种发光装置300，请参考图11，发光装置300包括如前述任意实施例的多个阵列排布的发光二极管，在图11中用放大显示的示意方式显示了一部分发光二极管1。
本实施例中，所述发光装置300可为军用飞机仪表盘，舞台灯或者投影仪或者显示屏。
所述发光装置300中的发光二极管采用本发明中的外延结构，所述外延结构中的有源层量子阱结构垒层的带隙逐渐增大，可减少有源层量子阱结构的吸光，调整出光角度，提升发光装置300中发光二极管的发光效率和发光亮度。
需要说明的是，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。

Claims (11)

1.发光二极管，包括：
半导体外延叠层，具有相对的第一表面和第二表面，自第一表面至第二表面方向包含依次堆叠的第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；
所述有源层包括n个周期的量子阱结构，每个周期的量子阱结构包括依次沉积的阱层和势垒层，所述势垒层的带隙大于阱层的带隙；
其特征在于：所述阱层由AlxGa1-xInP材料组成；所述势垒层由AlyGa1-yInP材料组成，其中0≤x≤y≤1；所述阱层的带隙自所述半导体外延叠层的第一表面至第二表面方向是不变的，所述势垒层的带隙自半导体外延叠层的第一表面至第二表面方向是逐渐增大的。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述势垒层的Al组分含量y的范围为0.3～0.85。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述势垒层的Al组分的百分含量自半导体外延叠层的第一表面至第二表面方向是逐渐增大的。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述有源层的周期数n为2～100。
5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：所述有源层的周期数n为5～50。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述阱层的厚度为5～25nm；所述势垒层的厚度为5～25nm。
7.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述势垒层的Al组分的百分含量按一个周期或几个周期的方式从所述半导体外延叠层的第一表面至第二表面方向逐渐增大。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管还包含第一电极和第二电极，分别与所述第一类型半导体层和第二类型半导体层形成电连接。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管还包含绝缘保护层，位于所述半导体外延叠层的表面和侧壁。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述有源层辐射波长为550～950nm的光。
11.一种发光装置，其特征在于：包含权利要求1～10中任一项所述的发光二极管。
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